Estudo do potencial da técnica de nanossísmica para o monitoramento de hidrofraturamento em reservatórios de hidrocarbonetos

(1)

PROGRAMA DE PESQUISA

E P ÓS-GRADUAÇ ÃO EM GEODIN ÂMICA E GEOFÍSICA

DISSERTAC

¸ ˜

AO DE MESTRADO

ESTUDO DO POTENCIAL DA T´

ECNICA DE NANOSS´ISMICA

PARA O MONITORAMENTO DE HIDROFRATURAMENTO

EM RESERVAT ´

ORIOS DE HIDROCARBONETOS

Autor:

Aline Gomes da Silva

Orientador:

DR. ADERSON FARIAS DO NASCIMENTO

Disserta¸c˜ao no

90 / P P GG

(2)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIˆENCIAS EXATAS E DA TERRA

PROGRAMA DE PESQUISA E P ÓS-GRADUAÇ ÃO EM GEODIN ÂMICA E GEOFÍSICA

DISSERTAC

¸ ˜

AO DE MESTRADO

ESTUDO DO POTENCIAL DA T´

ECNICA DE NANOSS´ISMICA

PARA O MONITORAMENTO DE HIDROFRATURAMENTO

EM RESERVAT ´

ORIOS DE HIDROCARBONETOS

Autor:

Aline Gomes da Silva

Disserta¸cão apresentada à Uni-versidade Federal do Rio Grande do Norte como requesito à obten¸cão do grau de MESTRE em Geof´ısica.

Comiss˜ao Examinadora:

Dr. Aderson Farias do Nascimento (Orientador) Dr. Marcelo Sousa de Assump¸c˜ao

Dr. Joaquim Mendes Ferreira

(3)

(4)

Disserta¸c˜ao de Mestrado - PPGG - UFRN Silva, A.G. ii

AGRADECIMENTOS

Antes de agradecer a todas as pessoas e institui¸c˜oes que contribuiram para a realiza¸c˜ao desse trabalho, agrade¸co a Deus. Sem Ele, nada disso seria poss´ıvel. Agora, agrade¸co:

Ao professores Dr. Aderson Farias do Nascimento e Dr. Mário Koechi Takeya, orientador e coloborador, por terem acreditado em mim, pelo acompanhamento prestado no decorrer da elabora¸cão desta disserta¸cão.

Ao professor Dr. George Sand Leão Araújo de Fran¸ca, principalmente, pela paciência em responder minhas dúvidas.

Aos professores do DFTE e do DGEF, em especial, Dory Hélio, Nilson Sena e Walter Medeiros, por terem contribu´ıdo na minha forma¸cão acadêmica.

Ao programa PET-F´ısica, também pela forma¸cão acadêmica.

Aos funcion´arios do DFTE, DGEF, DG e PPGG.

Aos técnicos do Laboratório Sismológico da UFRN Carlos dos Anjos e Eduardo Alexan-dre, pela receptividade, amizade e por estarem sempre dispostos a ajudar.

Aos colegas de sala do PPGG, Heleno Carlos, Bonnie Ives, Irenaldo Pessoa, Fl´avio Lemos, Paulo Henrique, Rosana Nascimento e Paulo Duarte, pelo companheirismo e momentos de descontra¸c˜ao.

Ao PPGG, pelos recursos materiais.

(5)

pelo apoio financeiro.

Ao Projeto “Determina¸c˜ao de Geometria de Fratura atrav´es de Microssismicidade In-duzida: MICROSIS”. FUNPEC-CENPES-PETROBRAS.

`

(6)

Disserta¸c˜ao de Mestrado - PPGG - UFRN Silva, A.G. iv

RESUMO

O fraturamento hidráulico consiste em injetar um fluido pressurizado na forma¸cão em volta do po¸co produtor a fim de criar novos caminhos para o hidrocarboneto fluir. A inje¸cão de fluido em reservatório de hidrocarboneto durante o processo de fraturamento hidráulico induz eventos micross´ısmicos. Medir a eficiência dessa estimula¸cão do reservatório pode ser feita, de forma indireta, identificando os locais afetados através da localiza¸cão dos mi-crossismos induzidos. Mas hoje, isso tem um custo elevado por que o sistema de aquisi¸cão e interpreta¸cão de dados no monitoramento s´ısmico só funciona bem em ambientes onde a razão sinal-ru´ıdo é consideravelmente alta, implicando na necessidade de acoplar sensores em po¸cos de observa¸cão a uma mesma profundidade do fraturamento. Nesse trabalho, propo-mos a aplica¸cão de um novo método de registro e localiza¸cão de microssispropo-mos, o método nanoss´ısmico (Joswig, 2006). O método consiste em um monitoramento cont´ınuo no tempo, deixando o usuário distinguir ru´ıdos e eventos s´ısmicos através da análise do conteúdo espec-tral do sinal. O programa de análise do método, HypoLine, permite a localiza¸cão de eventos sem fases clara de onda P e S. Dessa forma, pode-se identificar e localizar eventos de razão sinal - ru´ıdo de até 0 dB. Essa é a principal vantagem do método. Sua aplica¸cão para detec-tar microssismos induzidos por inje¸cão de fluido pode trazer grande retorno financeiro, caso não se tenha mais a necessidade de acoplar sensores a uma mesma profundidade do fratura-mento hidráulico. Neste trabalho, testes foram realizados, onde o tempo de origem do sinal e a localiza¸cão da fonte eram conhecidos, a fim de conhecer a potencialidade do método para aplica¸cão futura em monitoramento de fraturamentos hidráulico. Em um primeiro teste, fontes s´ısmicas (simuladas com fogos de artif´ıcios) foram localizadas a 28 m do sensor e magnitude −2.4 ≤ ML ≤ −1.6. Em um segundo teste, um monitoramento de canhoneios

em um po¸co de petróleo, fonte foi detectada e localizada a uma distância do sensor de 861 mcom magnitude de−2.4ML. Dados obtidos nestes testes permite dizer que o método tem

(7)

ABSTRACT

Hydraulic fracturing is an operation in which pressurised fluid is injected in the geological formation surrounding the producing well to create new permeable paths for hydrocarbons. The injection of such fluids in the reservoir induces seismic events. The measurement of this reservoir stimulation can be made by location these induced microseismic events. How-ever, microseismic monitoring is an expensive operation because the acquisition and data interpretation system using in this monitoring rely on high signal-to-noise ratios (SNR). In general, the sensors are deployed in a monitoring well near the treated well and can make a microseismic monitoring quite an expensive operation. In this dissertation we propose the application of a new method for recording and location of microseismic events called nano-seismic monitoring (Joswig, 2006). In this new method, a continuous recording is performed and the interpreter can separate events from noise using sonograms. This new method also allows the location of seismic sources even when P and S phases onsets are not clear like in situations of 0 dB SNR. The clear technical advantage of this new method is also economi-cally advantageous since the sensors can potentially be installed on the surface rather than in observation well. In this dissertation field tests with controlled sources were made. In the first test small explosives using fire works at 28 m (slant distances) were detected yealding magnitudes between −2.4≤ ML ≤ −1.6 . In a second test, we monitored perforation shots

in a producing oilfield. In this second test, one perforation shot was located with slant distances of 861 m and magnitude −2,4 ML. Data from the tests allow us to say that the

method has potential to be used in the oil industry to monitor hydrofracture.

(8)

´

_Indice

AGRADECIMENTOS ii

RESUMO iv

ABSTRACT v

Lista de Figuras viii

1 Introdu¸c˜ao 1

2 Mecanismo de Sismicidade Induzida por Inje¸c˜ao de Fluido 6

2.1 Introdu¸c˜ao . . . 6

2.2 Mecanismo de ativa¸c˜ao de falha preexistentes . . . 6

2.3 Influˆencia da press˜ao de poro . . . 9

3 M´etodo Nanoss´ısmico 12 3.1 Introdu¸c˜ao . . . 12

3.2 Sistema de aquisi¸c˜ao de dados . . . 13

3.3 Identifica¸c˜ao dos eventos . . . 14

3.4 Localiza¸c˜ao dos eventos . . . 16

3.4.1 Localiza¸c˜ao absoluta . . . 16

3.4.2 Localiza¸c˜ao relativa . . . 22

3.5 Magnitude . . . 23

4 Aplica¸c˜oes com Dados de Campo 25 4.1 Introdu¸c˜ao . . . 25

(9)

4.2 Teste I . . . 26

4.3 Procedimento para localiza¸c˜ao e determina¸c˜ao da magnitude de um evento com o programa HypoLine . . . 32

4.3.1 Localiza¸c˜ao . . . 32

4.3.2 Magnitude . . . 33

4.4 Teste II: Po¸co I . . . 43

4.5 Teste III: Po¸co II . . . 48

(10)

Lista de Figuras

1.1 Esquema representativo da influência do fraturamento hidráulico no reser-vatório. Do lado esquerdo da figura a representa¸cão antes do fraturamento e do lado direito depois do fraturamento. . . 2 1.2 Endocarpo com resina. . . 2 1.3 Fraturamento hidráulico a uma profundidade h, induzindo microssismos. Na

esquerda o po¸co de inje¸cão. Na direita o po¸co de observa¸cão com os sensores dispostos verticalmente. hé a profundidade de inje¸cão do fluido exa distância entre o po¸co de inje¸cão e o po¸co de observa¸cão. Em média,x é 150 m. Mod-ificado do cartazMicroseismic Monitoring - GEOSPACE TECHNOLOGIES. 3 2.1 Modelo bidimensional de esfor¸cos cisalhante e normal a uma ruptura.

Modi-ficado de do Nascimento (1998). . . 7 2.2 C´ırculo de Mohr. Ele representa a rela¸c˜ao entre os esfor¸cos principais e os

esfor¸cos normal e de cisalhamento. Modificado de Rubbert e Rubey (1959). . 8 2.3 Envelope de Mohr-Coulomb e sua rela¸c˜ao com os esfor¸cos principais e os

esfor¸cos normal e de cisalhamento. Modificado de Lay & Wallace (1995). . . 9 2.4 Modelo bidimensional de esfor¸cos agindo sobre uma rocha com press˜ao de

porop. Modificado de do Nascimento (1998). . . 10

3.1 Seismic Navigation Systems (SNS). O triângulo verde, no centro, representa o sensor tri-axial e os triângulos vermelhos representam os sensores axiais. R é a distância que separa o sensor tri-axial dos axiais. . . 13

(11)

3.2 Janela do programa HypoLine (Sonograma). Na parte superior da janela, um intervalo selecionado de aproximadamente 3 segundos de um sismograma. Na parte inferior, o sonograma do intervalo selecionado. O eixo vertical é a frequência do sinal na escala logar´ıtmica que vai de 7.8 Hz a 750.0 Hz, indicada no lado esquerdo da figura. . . 15 3.3 Interseçcão das semi-esferas geradas portS−tP em cada uma das três esta¸cões

com o plano que contém o evento (Joswig, 2008). . . 16 3.4 Interse¸cão entre o semi-hiperbolóide e um plano paralelo a superf´ıcie (Joswig,

2008). . . 17 3.5 Hip´erboles com sensores nos focos. Hip´erbole definida pela diferen¸ca de

distância entre a fonte aos sensores. . . 18 3.6 Interseçcão entre as três hipérboles obtidas pela diferen¸ca de distância entre

a fonte aos sensores. A princ´ıpio ter´ıamos duas posi¸cões onde poderia se encontrar a fonte. Mas, de acordo com a sequência temporal em que os raios incidem nos sensores, apenas uma posi¸cão será a correta. A interse¸cão entre as hipérboles, representadas pelas linhas cont´ınuas, será a solu¸cão. . . 18 3.7 Frente de onda incidindo no sensor S1 no tempo t1. E após um tempo ∆t =

t2−t1 no sensor S2. . . 20 3.8 Frente de onda incidindo no sensor S1 no tempo t1. E ap´os um tempo ∆t =

t2−t1, diferente do exemplo anterior, no sensor S2. . . 20 3.9 Frente de onda de velocidade α incidindo na superf´ıcie da Terra com um

ânguloi. Modificada de Lay & Wallace (1995). . . 21 3.10 Localiza¸cão de um evento master usando apenas a interse¸cão entre as

hipérboles e os c´ırculos no plano na profundidade do evento, utilizando apenas três sensores (S1, S2 e S3). Modificado de Hage & Joswig (2009c). . . 23 3.11 Localiza¸cão relativa de um evento secundário. A cruz de cor verde representa

(12)

Disserta¸c˜ao de Mestrado - PPGG - UFRN Silva, A.G. x

4.2 Disposi¸c˜ao dos SNS e das explos˜oes. N, C, E e W siginificam, respecti-vamente, norte, central, leste e oeste. Z indica que o sensor de axial de componente vertical. . . 27 4.3 Janela do programa HypoLine. Amostra do ru´ıdo nos sensores S21−W Z e

S25−N Z que estão separados por uma distância de aproximadamente 11,5m. 28 4.4 Explosão 1. Essa figura mostra o sismograma da primeira explosão registrada

nos quatros sensores do S21. . . 28 4.5 Explos˜ao 2. Essa figura mostra o sismograma da segunda explos˜ao registrada

nos quatros sensores do S21. . . 29 4.6 Explos˜ao 3. Essa figura mostra o sismograma da terceira explos˜ao registrada

nos quatros sensores do S21. . . 29 4.7 Explosão 4. Essa figura mostra o sismograma da última explosão registrada

nos quatros sensores do S21. . . 30 4.8 Mapa contendo o local da fonte, sensores e a localiza¸c˜ao obtida pelo programa

HypoLine. Cada cruz de cor preta representa uma localiza¸cão das quatro explosões utilizando o programa HypoLine. . . 31 4.9 Sismograma da Explosão 4. Na parte superior o sismograma da Explosão 4

e na parte inferior numa janela de tempo menor que é definida pelo usuário. Do lado esquerdo da figura tem-se a sele¸cão do filtro na faixa de frequência de 0 a 3 Hz. . . 34 4.10 Janela do programa Hypoline.Determina¸cão do instante de chegada da onda

P no sensor S21−W Z. . . 35 4.11 Janela do programa HypoLine. Determina¸c˜ao do instante de chegada da onda

P nos sensores S21−W Z e S21−EZ. No lado direito da janela a hip´erbole gerada. . . 36 4.12 Janela do HypoLine. Determina¸c˜ao do instante de chegada da onda P nos

sensores S21−W Z, S21−EZ e S21−C. No lado direito da janela as três hipérbole geradas. . . 37 4.13 Janela do HypoLine. Interse¸cão entre as três hipérbole é a localiza¸cão do evento. 38 4.14 Janela do HypoLine. Escolha da fase no sensorS21−W Z para determina¸cão

(13)

4.15 Janela do HypoLine. Dire¸cão do evento e velocidade aparente de propaga¸cão da onda. . . 40 4.16 Janela do HypoLine. Determina¸cão do máximo e m´ınimo do maior pulso

presente na componente horizontal do sinal. . . 41 4.17 Janela do HypoLine. Determina¸c˜ao da magnitude do evento. . . 42 4.18 M´aquinas presente em volta do po¸co para o processo de fraturamento

hidráulico a uma profundidade de aproximadamente 470 m. . . 43 4.19 Disposi¸cão das esta¸cões com rela¸cão ao po¸co. . . 44 4.20 Janela do programa HypoLine. Amostra do ru´ıdo proveniente das máquinas

em volta do po¸co de inje¸c˜ao antes do fraturamento. . . 45 4.21 Janela do programa HypoLine. Amostra do ru´ıdo proveniente das m´aquinas

em volta do po¸co de inje¸cão durante o fraturamento. . . 46 4.22 Amplitude do ru´ıdo em fun¸cão da distância ao po¸co de inje¸cão. O gráfico

mostra a varia¸cão da velocidade do ru´ıdo, proveniente das máquinas re-sponsáveis pelo processo de fraturamento, com a distância ao po¸co de inje¸cão. 47 4.23 Os X em vermelho representam o local dos tiros de canhoneios. A linha

em verde a interface arenito-calcário. A linha de cor azul a zona do tiro de canhoneio detectado. . . 48 4.24 Disposi¸cão das esta¸cões com rela¸cão ao po¸co e o resultado obtido com o

mo-nitoramento nanosss´ısmico. . . 49 4.25 Raios emitidos por fontes em diferentes profundidades ter˜ao alcance diferente

na superf´ıcie da terra. A camada de calcário possui maior velocidade que a de arenito, consequentemente, os raios ao imergirem nela na camda de calcário são desviados com um ângulo maior que o ângulo de incidência. . . 50 4.26 Janela do HypoLine com o sismograma do evento (tiro de canhoneio). . . 51 4.27 Sismogramas de canhoneios. Parte superior da figura temos a componente

(14)

Disserta¸c˜ao de Mestrado - PPGG - UFRN Silva, A.G. xii

4.28 Janela do programa HypoLine. Dire¸cão do evento determinada pela coerência entre os sinais nos sensores S28−N Z, S28−EZ e S28−CZ. . . 54 4.29 Janela do programa HypoLine. Localiza¸cão do canhoneio obtida pela

(15)

Introdu¸

c˜

ao

Na indústria do petróleo, durante a vida produtiva dos po¸cos de petróleo são necessárias interven¸cões para manter a produ¸cão ou até mesmo melhorá-la, designadas de workover. Essas interven¸cões são classificadas como: avalia¸cão, recompleta¸cão, restaura¸cão, limpeza, estimula¸cão e mudan¸ca no método de eleva¸cão.

Por sua vez, a estimula¸cão pode ser de dois tipos: fraturamento hidráulico e acidifica¸cão. Mas, o método mais utilizado para estimula¸cão é o fraturamento hidráulico (Alberto,et al., 2001).

O primeiro fraturamento hidráulico que se tem not´ıcia na indústria do petróleo ocorreu no campo de gás de Hugoton, Estados Unidos, no po¸co Kelpper 1, em julho de 1947 (Fernandes, 1991).

O fraturamento hidráulico ou hidrofraturamento consiste em injetar um fluido com alta pressão na rocha-reservatório, mudando o estado de esfor¸cos, até sua ruptura ou a expansão de rupturas já existentes. Assim, criam-se novos caminhos ou aumentam-se os existentes para o hidrocarboneto fluir.

Esse processo é feito em campos que já atingiram seu pico de produ¸cão ou possuem baixa permeabilidade, possuindo um baixo fator de recupera¸cão.

Juntamente com o fluido é injetado um agente de sustenta¸cão para manter a fratura aberta, criando assim uma permeabilidade artificial (Figura 1.1). Na Figura 1.2 temos uma amostra de um agente de sustenta¸cão natural muito utilizado, o endocarpo triturado (cujo nome popular é quenga de coco) com resina.

A energia desprendida pela ruptura ou atrito entre rochas, no fraturamento hidr´aulico,

(16)

Disserta¸c˜ao de Mestrado - PPGG - UFRN Silva, A.G. 2

Figura 1.1: Esquema representativo da influência do fraturamento hidráulico no reservatório. Do lado esquerdo da figura a representa¸cão antes do fraturamento e do lado direito depois do fraturamento.

Figura 1.2: Endocarpo com resina.

se propaga em forma de ondas s´ısmicas (ondas de compress˜ao e de cisalhamento) pela Terra, gerando pequenos terremotos. Esses pequenos terremotos induzidos em hidrofraturamentos s˜ao da ordem de -3 a 1ML, gerados por fraturas da ordem de 1 a 10m (Jupe,et al., 1998).

(17)

(2003) sugere o termo nanossismos para eventos com ML < 0.0. Esses microssismos s˜ao

induzidos devido ao aumento da press˜ao de poro na rocha, durante a inje¸c˜ao do fluido, que faz com que o stress efetivo normal da falha diminua (Braun, 2007).

Desde 1980, esses microssismos podem ser registrados utilizando sensores s´ısmicos em po¸cos de observa¸cão (esquema representativo na Figura 1.3) a uma mesma profundidade do hidrofraturamento para que seja m´ınima a distância entre a fonte e o receptor e se tenha uma maior razão sinal-ru´ıdo poss´ıvel, já que o sistema de aquisi¸cão de dados, que não é cont´ınuo, e só é ativado quando essa razão é igual ou superior a 3 dB (Jupe, et al., 1998). A localiza¸cão do evento pode ser obtida usando a diferen¸ca de tempo de chegada da onda P pela onda S e a polariza¸cão da onda P (Calvez, et al, 2005).

Figura 1.3: Fraturamento hidráulico a uma profundidade h, induzindo microssismos. Na esquerda o po¸co de inje¸cão. Na direita o po¸co de observa¸cão com os sensores dispostos verticalmente. h é a profundidade de inje¸cão do fluido e x a distância entre o po¸co de inje¸cão e o po¸co de observa¸cão. Em média, x é 150 m. Modificado do cartazMicroseismic Monitoring - GEOSPACE TECHNOLOGIES.

(18)

Essas informa¸cões permitem analisar e diagnosticar a propaga¸cão de fraturas, a fim de que se possa conhecer com precisão a influência de cada parâmetro envolvido na opera¸cão, e, desse modo, melhorar a qualidade dos projetos de fraturamento hidráulico e ajudar no gerenciamento de produ¸cão do campo.

Mas, para alguns campos de hidrocarboneto, o custo com as técnicas atuais para moni-toramento da microssismicidade induzida não compensam, ainda que a produ¸cão aumente. Dessa forma, o uso corriqueiro dessas técnicas é proibitivo para esses campos (Fernandes, 1991).

A s´ısmica passiva também vem sendo utilizada para monitoramento de hidrofratura-mento. Nesse método os sensores são acoplados na superf´ıcie e a partir do empilhamento dos dados e aplica¸cão de técnicas de migra¸cão, e obtida uma estimativa da localiza¸cão (Cham-bers,et al, 2008). Mas, requer um grande número de sensores e não determina a localiza¸cão da hidrofratura individualmente. Apenas determina que região do espa¸co que emitiu energia s´ısmica (Joswig, 2008; Kochnev, 2007).

O objetivo desta disserta¸cão é apresentar uma alternativa economicamente viável para o monitoramento s´ısmico durante o fraturamento hidráulico em po¸cos rasos. A alternativa proposta é a utiliza¸cão do método nanoss´ısmico desenvolvido por Joswig (2006).

O método nanoss´ısmico foi desenvolvido para detectar e caracterizar pequenas fontes s´ısmicas com uma (ou mais) rede s´ısmica durante um curto tempo de monitoramento cont´ınuo (Hage & Joswig, 2009a). Essa rede sismográfica é constitu´ıda de quatro sensores, um de três componentes no centro de um triângulo equilátero com um sensor de componente vertical em cada vértice do triângulo.

Esse método permite detectar e localizar eventos com sensores em ambientes onde a razão sinal-ru´ıdo é baixa (0 dB), através de um monitoramento cont´ınuo no tempo. Essa é a prin-cipal vantagem da aplica¸cão desse método para o monitoramento durante um fraturamento hidráulico. Isso implica que possivelmente pode-se detectar e localizar microssismos com sensores na superf´ıcie da terra em vez de acoplados em po¸cos de observa¸cão a uma mesma profundidade do fraturamento. Essa nova técnica tornaria o monitoramento economicamente viável.

(19)

a localiza¸c˜ao, alterando-o e obtendo o resultado instantaneamente.

Testes preliminares para investigar a potencialidade desse novo método, para monitora-mento de fraturamonitora-mento hidráulico, foram feitos. Os resultados, bastante satisfatórios, serão apresentados neste trabalho.

No Cap´ıtulo 2 desse trabalho, apresentaremos o modelo para o mecanismo de ativa¸cão de rupturas (falhas), devido à inje¸cão de fluido em uma rocha, de acordo com a literatura.

Na continuidade, no Cap´ıtulo 3 apresentaremos o sistema de aquisi¸cão de dados do método nanoss´ısmico, como o método permite identificar os eventos s´ısmicos e localizar o hipocentro em ambiente com baixa razão sinal-ru´ıdo.

No Cap´ıtulo 4, mostraremos o resultados de trˆes testes realizados:

• Teste I: O primeiro foi realizado no campus da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, onde simulou-se eventos de baixa energia, utilizando-se fogos de artif´ıcios de poucos gramas.

• Teste II: O segundo foi realizado em um po¸co produtor, durante um fraturamento, com a finalidade de apenas analisar o decaimento do ru´ıdo (proveniente das máquinas responsáveis pelo processo de fraturamento) com a distância ao po¸co. A partir deste decaimento, pode-se conhecer a que distância do po¸co de inje¸cão poder´ıamos instalar os sensores sem que esse ru´ıdo interferisse.

• Teste III: Em um segundo po¸co foram monitorados doze tiros de canhoneios. O can-honeio é um procedimento que utiliza-se explosivos para romper o revestimento do po¸co e colocá-lo em produ¸cão. Como a localiza¸cão e o tempo de origem do evento são conhecidos previamente, esse tipo de monitoramento torna-se uma ótima forma de testar o método.

As localiza¸cões dos po¸cos nos Testes II e III não poderão ser informadas a pedido da PETROBRAS, empresa responsável pelos po¸cos.

(20)

Cap´ıtulo 2

Mecanismo de Sismicidade Induzida

por Inje¸

c˜

ao de Fluido

2.1 Introdu¸

c˜

ao

O fraturamento hidráulico consiste em injetar um fluido pressurizado na região que se quer aumentar os caminhos favoráveis para o hidrocarboneto fluir. Criando, o que podemos chamar de permeabilidade artificial.

A inje¸cão de fluido no reservatório ocasiona um aumento na pressão de poro no local, diminuindo o stress normal efetivo em falhas preexistentes, consequentemente, favorecendo a ativa¸cão dessas falhas. Esse é o mecanismo de fonte de microssismos induzidos no fratu-ramento hidráulico e será descrito neste cap´ıtulo.

2.2 Mecanismo de ativa¸

c˜

ao de falha preexistentes

Considere os esfor¸cos sobre uma amostra de rocha na Figura 2.1, onde σn e τ, s˜ao os

esfor¸cos normais e de cisalhamento, respectivamente. θé o ângulo entre o plano de fratura e o eixo de esfor¸co principalσ1. Desse modo, temos que o esfor¸co normal e esfor¸co cisalhante, são respectivamente (Hubbert & Rubey, 1959):

σn=

σ1+σ2

2 +

σ1−σ2

2 cos 2θ (2.1)

(21)

Figura 2.1: Modelo bidimensional de esfor¸cos cisalhante e normal a uma ruptura. Modificado de do Nascimento (1998).

τ = σ1−σ2

2 sin 2θ (2.2)

Calculando o σmédio sobre a rocha e o valor máximo da tensão cisalhante, teremos:

σm´edio=

σ1+σ2

2 (2.3)

τm´aximo=

σ1−σ2

2 (2.4)

Substituindo as equa¸c˜aoes 2.3 e 2.4, nas equa¸c˜oes 2.1 e 2.2 e reorganizando, ficamos com:

σn−σm´ed =τm´axcos 2θ (2.5)

τ =τm´axsin 2θ (2.6)

(22)

(σn−σm´ed)

2

+τ2 =τm´2ax (2.7)

Obtemos a equa¸c˜ao de um c´ırculo, no plano σn versus τ, conhecido como C´ırculo de

Mohr (Timoshenko & Gere, 1994), representado na Figura 2.2. O seu centro est´a no ponto 1

2(σ1+σ3) no eixo das abscissas e raio igual `a 1

2(σ1−σ3) (Hubbert & Rubey, 1959).

Figura 2.2: C´ırculo de Mohr. Ele representa a rela¸c˜ao entre os esfor¸cos principais e os esfor¸cos normal e de cisalhamento. Modificado de Rubbert e Rubey (1959).

Coulomb e Mohr, século XVIII e XIX, respectivamente, introduziram uma teoria que afirma que a tensão cisalhante necessária para dar in´ıcio à ativa¸cão de uma falha é igual à tensão cisalhante caracter´ıstica da rocha mais o produto do coeficiente de friçcão da rocha pelostress normal,σn, de acordo com a Equa¸cão 2.8, representada no gráfico da Figura 2.3.

Essa reta ´e chamada de envelope de Mohr (Lay & Wallace, 1995).

τ =τo+µ.σn (2.8)

(23)

Figura 2.3: Envelope de Mohr-Coulomb e sua rela¸c˜ao com os esfor¸cos principais e os esfor¸cos normal e de cisalhamento. Modificado de Lay & Wallace (1995).

raio do c´ırculo de Mohr, como mostrado na Figura 2.3. A orienta¸cão da falha,θ, é dada pela rela¸cão na Equa¸cão 2.9, onde φ é o ângulo entre o envelope de Mohr e o eixo das abscissas e sua tangente é o coeficiente de friçcão.

θ= 1

2

π

2 +ϕ

(2.9)

2.3 Influˆ

encia da press˜

ao de poro

Ao injetar um fluido em uma rocha a uma pressão p, como mostra a Figura 2.4, a esfor¸co normal e esfor¸co cisalhante, de acordo com as Equa¸cões 2.1 e 2.2, serão:

τ′ ₌ (σ1−p)−(σ2−p)

2 sin 2θ (2.10)

σ′

n =

(σ1−p) + (σ2−p)

2 +

(σ1−p)−(σ2−p)

2 cos 2θ (2.11)

Reorganizando e simplificando, temos:

(24)

Figura 2.4: Modelo bidimensional de esfor¸cos agindo sobre uma rocha com press˜ao de poro p. Modificado de do Nascimento (1998).

σ′

n =σn−p (2.13)

A presen¸ca de um fluido com pressãop, contribui para diminui¸cão do esfor¸co normal e não altera o esfor¸co cisalhante, facilitando a fratura (ou ativa¸cão da falha já existente) da rocha (do Nascimento, 1998). Esse é o mecanismo de forma¸cão de uma hidrofratura que predomina no processo de fraturamento hidráulico (Braun, 2007; Maxwel, 2007; Phannavong & Manzari, 2005; Bruno & Nakagawa, 1991). Mas, deve ficar claro que essa sismicidade induzida em um determinado local indica conexão de pressão, e não necessariamente um caminho permeável entre o local e o po¸co de inje¸cão (Phillips, et al, 2002).

Mukuhira (2009) afirma também que o aumento da pressão de poro durante a inje¸cão induz sismos, mas que a magnitude desses sismos não está relacionada com a pressão de poro cr´ıtica (pressão no instante da ativa¸cão ou gera¸cão da falha).

(25)

(26)

Cap´ıtulo 3

M´

etodo Nanoss´ısmico

3.1 Introdu¸

c˜

ao

O m´etodo nanoss´ısmico foi desenvolvido por Joswig (2006) com o objetivo de determinar fontes de energia s´ısmica a uma distˆancia de 10 m a 10 km com magnitude abaixo de zero durante um monitoramento cont´ınuo no tempo.

Esse método tem sido aplicado inicialmente para monitorar réplicas de sismos naturais e induzidos. Como exemplo de réplicas de sismo natural, o monitoramento de colapso de cavi-dades não consolidadas, criadas pela dissolu¸cão do sal devido ao contato entre aqu´ıfero e sal, no Mar Morto (Wust-Bloch & Joswig, 2006). E, um exemplo de réplicas de sismo induzido, o monitoramento de colapso de cavidades geradas por explosões abaixo da superf´ıcie, servindo como ferramenta para projetar inspe¸cões da CTBTO (Comprehensive Test Ban Treaty Or-ganization)(Joswig, 2008).

Essa t´ecnica tamb´em foi aplicada para monitorar microssismos nos Alpes Vorarlberg, na ´

Austria, região ativa sismicamente após fortes chuvas. Os resultados refor¸caram a suposi¸cão que se tinha: a dinâmica da água em subsuperf´ıcie provocava flutua¸cão dos sedimentos das montanhas que deslocavam-se, provocando microssismos (Walter & Joswig, 2008).

Outro exemplo de sua aplica¸c˜ao foi um monitoramento de 39 horas ap´os o maior terremoto da Alemanha de magnitude 5.4 ML, no dia 5 de dezembro de 2004. Os resultados obtidos

(mapeamento da falha) coincidiram com os resultados utilizando dados da rede sismográfica padrão. Mas, o número de sismos detectados pela rede nanoss´ısmica foi maior por abranger uma faixa de−1.7≤ML≤3.0 (Hage & Joswig, 2009c).

(27)

Joswig (2008) introduziu a concep¸cão de monitoramento nanoss´ısmico como um terceiro método pra registrar sinais de fraturas na crosta superior e localizá-los no espa¸co e tempo. Sendo o primeiro e segundo método, o monitoramento micross´ısmico e a s´ısmica passiva, respectivamente.

Neste cap´ıtulo mostraremos as técnicas do método nanoss´ısmico para aquisi¸cão de dados, identifica¸cão de eventos, localiza¸cão de eventos (absoluta ou relativa) e determina¸cão de magnitude.

3.2 Sistema de aquisi¸

c˜

ao de dados

O sistema de aquisi¸cão de dados da técnica nanoss´ısmica é constitu´ıdo de quatro sensores, dispostos de acordo com a Figura 3.1. Os triângulos na Figura 3.1 representam sensores de per´ıodo curto (1Hz). O sensor central (verde) é tri-axial. Já os demais, são de componente vertical (vermelho). Todos os verticais estão a uma mesma distância do central, ocupando os vértices de um triângulo equilátero. Essa distância pode ser de 30 m a 100 m, dependendo da tarefa a ser realizada. Esse sistema é denominado de Seismic Navigation Systems (SNS) (Joswig, 2008).

Figura 3.1: Seismic Navigation Systems (SNS). O triângulo verde, no centro, representa o sensor tri-axial e os triângulos vermelhos representam os sensores axiais. Ré a distância que separa o sensor tri-axial dos axiais.

(28)

para facilitar a distin¸cão entre sinal e ru´ıdo. Idealmente, os sensores precisam estar bem acoplados à superf´ıcie. Geralmente o monitoramento é feito no per´ıodo da noite, onde poss´ıveis ru´ıdos oriundos de tráfego, tubula¸cões, etc., interferem menos.

Para o monitoramento de hidrofraturamento, o per´ıodo de monitoramento tem que ser simultâneo ao hidrofraturamento e se estender por mais algum tempo, para que detecte eventos associados à acomoda¸cão das rochas devido ao novo estado de esfor¸cos no reservatório após a inje¸cão.

Quanto ao local, há de se encontrar um meio termo entre a distância das fontes de ru´ıdo (máquinas para opera¸cão de hidrofraturamento, tráfego, tubula¸cões, etc.) e da fonte s´ısmica ao sensor.

3.3 Identifica¸

c˜

ao dos eventos

O grande diferencial do método nanoss´ısmico para os demais métodos é o programa de análise HypoLine, o novo módulo do SparseNet (Joswig, 1999).

Uma das principais vantagens desse programa é seu caráter interativo, onde os resultados obtidos pelo programa, como: hipocentro, tempo de origem do evento, magnitude, podem ser alterados com um simples comando e a atualiza¸cão dos demais parâmetros é instantânea. Permite-se assim, um monitoramento s´ısmico em “tempo real”.

O mesmo esquema interativo se aplica a parâmetros intr´ınsecos para localiza¸cão do evento, como velocidades e espessuras das camadas ou corre¸cão da curva magnitude-distância.

O objetivo dessa interatividade é testar as poss´ıveis combina¸cões entre as diferentes fases para um mesmo evento, devido a baixa razão sinal-ru´ıdo, com os parâmetros intr´ınsecos para a solu¸cão e chegar a uma solu¸cão plaus´ıvel (Joswig, 2008).

Em uma situa¸cão de baixa razão sinal-ru´ıdo, o HypoLine permite distinguir entre um evento e o ru´ıdo através da análise de sonogramas obtidos pelo programa (Joswig, 2008).

(29)

Dessa forma, conhecendo o conte´udo espectral caracter´ıstico de alguns tipos de ru´ıdos ou de eventos de interesse, podemos identific´a-los no sinal (Joswig, 2006).

Como exemplo, a Figura 3.2, mostra a janela do HypoLine, para um intervalo de cinco segundos, dos registros de um teste realizado no campus da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, onde explosões foram simuladas com fogos de artif´ıcio na superf´ıcie do terra. Na parte superior da figura temos um sismograma e abaixo o sonograma do intervalo de tempo selecionado no sismograma. No sonograma, temos uma das explosões, que pode ser percebida devido a mudan¸ca do conteúdo espectral (representada pela mudan¸ca de cores) na Esta¸cão 21.

(30)

3.4 Localiza¸

c˜

ao dos eventos

3.4.1 Localiza¸

c˜

ao absoluta

Para a localiza¸cão dos eventos o HypoLine utiliza três informa¸cões: diferen¸ca de tempo da chegada da onda S pela onda P do evento, diferen¸ca de tempo de chegada da onda P entre quaisquer dois sensores e determina¸cão da dire¸cão do evento pelo método denominado de feixe.

Como exemplo, vamos considerar que as esta¸cões estão na superf´ıcie, e a abaixo da superf´ıcie supomos um semi-espa¸co homogêneo.

A primeira informa¸c˜ao ´e a diferen¸ca do tempo da chegada da onda S pela onda P (tS−tP)

em cada sensor, gerando uma semi-esfera que vincula a localiza¸cão espacial em três dimensões abaixo da superf´ıcie, como mostra a Figura 3.3.

Figura 3.3: Interseçcão das semi-esferas geradas por tS−tP em cada uma das três esta¸cões

com o plano que cont´em o evento (Joswig, 2008).

A interseçcão entre os c´ırculos (proje¸cão da esfera na superf´ıcie) na superf´ıcie fornecerá a localiza¸cão do epicentro (x, y). Já a estimativa da profundidade é considerada como um parâmetro “externo”que pode ser modificado pelo intérprete, em vez de ser determinado pela inversão dos dados, como é feito comumente (Joswig, 2008).

A segunda informa¸c˜ao ´e a diferen¸ca de tempo de chegada da onda P (tP₁ −tP₂) entre

quaisquer dois sensores, gerando um semi-hiperbolóide que se reduz a uma hipérbole com a interseçcão com qualquer plano paralelo a superf´ıcie, como mostra a Figura 3.4.

(31)

Figura 3.4: Interse¸c˜ao entre o semi-hiperbol´oide e um plano paralelo a superf´ıcie (Joswig, 2008).

dois sensores S1 e S2 também na superf´ıcie da Terra. Se t1 é o intervalo de tempo que a onda emitida por F leva para alcan¸car o sensorS1 e t2 é o intervalo de tempo que a mesma onda emitida por F leva para alcan¸car o sensor S2, então a diferen¸ca entre a distância da fonte a S1 e a distância da fonte a S2 é dada pela Equa¸cão 3.1. Essa equa¸cão é a defini¸cão matemática do lugar geométrico de uma hipérbole, com os sensores S1 e S2 ocupando os focos.

A Figura 3.5 mostra os sensores nos focos. Na Equa¸cão 3.3 teremos infinitas combina¸cões deF S1 e F S2 que resulta na constante ∆t.v (v é a velocidade de propaga¸cão da onda).

F S1 −F S2 = ∆t.v (3.1)

Dessa forma, podemos dizer que a fonte está em algum ponto da hipérbole. Sendo assim, necessários três sensores, S1, S2 e S3 (consequentemente três hipérboles), para encontrar a localiza¸cão da fonte, como mostra a Figura 3.6. Nesta figura, existem dois pontos onde as hipérboles se interceptam. Mas, a sequência temporal em que a onda P incide nos três sensores determina qual conjunto de hipérboles será considerada para a solu¸cão (hipérboles representadas por linhas pontilhadas ou cont´ınuas). Nesse exemplo, o conjunto de hipérboles representadas por linhas cont´ınuas.

(32)

Figura 3.5: Hipérboles com sensores nos focos. Hipérbole definida pela diferen¸ca de distância entre a fonte aos sensores.

Figura 3.6: Interseçcão entre as três hipérboles obtidas pela diferen¸ca de distância entre a fonte aos sensores. A princ´ıpio ter´ıamos duas posi¸cões onde poderia se encontrar a fonte. Mas, de acordo com a sequência temporal em que os raios incidem nos sensores, apenas uma posi¸cão será a correta. A interse¸cão entre as hipérboles, representadas pelas linhas cont´ınuas, será a solu¸cão.

(33)

Para o caso do SNS que são quatro sensores, permutando cada três sensores, gera quatro pontos triplo, P1 = f(t1, t2, t3), P2 = f(t1, t2, t4), P3 = f(t1, t3, t4) e P4 = f(t2, t3, t4), consequentemente quatro solu¸cões.

O programa HypoLine permite a visualiza¸cão dos quatros pontos triplo devido a con-tribui¸cão de cada fase. Nesse caso, a medida do espalhamento dos pontos triplo será a medida da consistência da localiza¸cão do hipocentro.

Generalizando, o número de hipérboles H é dado pela Equa¸cão 3.2, onde N é o número de sensores e k um número inteiro que varia de 1 até N −1. O número de pontos triplo T (solu¸cões) é dado pela Equa¸cão 3.3, com N sendo o número de sensores e k um número inteiro que varia de 1 até N −2. A Tabela 4.1 mostra o número de ponto triplo (T) e hipérboles (H) em fun¸cão do número de sensores (N).

H =

N₋1 X

k=1

k = N!

(N −2)!2! (3.2)

T =

N₋2 X

k=1

k(N −1−k) = N!

(N −3)!3! (3.3)

N 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

H 3 6 10 15 21 28 36 45 55 66

T 1 4 10 20 35 56 84 120 165 220

Tabela 3.1: Número de hipérboles e pontos triplos em fun¸cão do número de sensores. N é o número de sensores, H o número de hipérboles geradas pelo número N de sensores e T é o número de ponto triplo gerados por N sensores (Joswig, 2006).

Se fossem mais que quatro sensores, o número de solu¸cões seria muito alto, como pode ser visto na Tabela 3.1. Desse modo, a solu¸cão ficaria imposs´ıvel (dif´ıcil visualiza¸cão gráfica no programa HypoLine), sendo necessária uma análise residual da diferen¸ca de tempo de chegada da onda P no sentido dos m´ınimos quadrados. Isso diminuiria as vantagens do método nanoss´ısmico, como rapidez para encontrar a solu¸cão.

(34)

O primeiro modo consiste em registrar as três componentes da primeira onda do evento que incide no sensor triaxial e calcular o vetor resultante, que dará a dire¸cão do evento.

O segundo modo é chamado de feixe (Joswig, 2006), que consiste em calcular a dire¸cão do evento com base na diferen¸ca de tempo que a mesma frente de onda incide em dois sensores. Para ilustrar, imaginamos uma frente de onda plana se propagando em duas dimensões, de acordo com a Figura 3.7, incidindo no tempot1 no sensor S1 e no tempot2 no sensor S2. A distância que a frente de onda percorre no intervalo de tempo ∆t =t2−t1 é igual a v.∆t. Já na Figura 3.8, devido a frente de onda está incidindo de outra dire¸cão, a distância v.∆t é menor. Então, haverá apenas uma dire¸cão que permite o valor dessa distância, que será a dire¸cão do evento.

Figura 3.7: Frente de onda incidindo no sensorS1 no tempot1. E ap´os um tempo ∆t=t2−t1 no sensor S2.

(35)

A ferramenta feixe trata a frente de onda sendo plana por que a frente de onda esférica emitida por uma fonte s´ısmica pode ser aproximada por uma frente de onda plana devido à separa¸cão entre os sensores ser pequena (máximo 100 m).

Para uma frente de onda se propagando em três dimensões, a velocidade v na Figura 3.7 e 3.8 será a velocidade aparente da frente de onda dada pela rela¸cão na Equa¸cão 3.4. α é a velocidade de propaga¸cão da onda e i o ângulo de incidência da onda, de acordo com a Figura 3.9.

Figura 3.9: Frente de onda de velocidade α incidindo na superf´ıcie da Terra com um ˆangulo i. Modificada de Lay & Wallace (1995).

v = α

sini (3.4)

A Equa¸cão 3.4 também pode ser expressa pela Equa¸cão 3.5, em termos da vagarosidade horizontal.

v = 1

p (3.5)

(36)

3.4.2 Localiza¸

c˜

ao relativa

A localiza¸cão relativa consiste em determinar a distância de um evento secundário a um evento que tenha o menor erro poss´ıvel na sua localiza¸cão, evento principal. Esse método permite ter uma maior precisão na localiza¸cão dos eventos. Mas, só poderá ser usado quando a distância dos eventos às esta¸cões é maior que a distância entre eles.

Sua utiliza¸cão tem máxima eficiência quando a varia¸cão da velocidade de propaga¸cão da onda (P ou S) no meio é a maior causa do res´ıduo temporal entre as esta¸cões.

A técnica consiste em calcular o res´ıduo temporal (causado pela varia¸cão de velocidade no meio) para o evento principal nas esta¸cões e utilizar como corre¸cão para os demais even-tos. Assim, a diferen¸ca de tempo de propaga¸cão das ondas entre o evento principal e um secundário, será apenas devido a distância entre os dois eventos.

No programa HypoLine, a localiza¸cão relativa é feita manualmente. Como exemplo, temos um esquema representativo da localiza¸cão de um evento principal na Figura 4.14, usando apenas três esta¸cões, para facilitar o entendimento.

Uma vez que a localiza¸cão do evento principal é obtida, podemos dizer qua a distância de um evento secundário à esta¸cão, vai ser a soma da distância do evento principal à esta¸cão com a distância do evento secundário ao evento principal.

Com exemplo, considere três sensores. Usando-se o método de localiza¸cão através das interse¸cões entre as hipérboles, temos que para cada par de sensores (S1-S2, S1-S3 e S2-S3), a diferen¸ca de tempo de chegada da onda P do evento secundário, relativa ao evento principal é dada pela rela¸cão abaixo:

∆tRelativaE12 = ∆tM12+ ∆tM12−∆t

Absoluta E12 ∆tRelativaE13 = ∆tM13+ ∆tM13−∆t

Absoluta E13 ∆tRelativaE23 = ∆tM23+ ∆tM23−∆t

Absoluta

E23 (3.6)

(37)

Figura 3.10: Localiza¸cão de um eventomasterusando apenas a interse¸cão entre as hipérboles e os c´ırculos no plano na profundidade do evento, utilizando apenas três sensores (S1, S2 e S3). Modificado de Hage & Joswig (2009c).

3.5 Magnitude

Para encontrar a magnitude, o HypoLine simula o sinal do sensor triaxial sendo detec-tado por um sism´ografo de Wood-Anderson (Joswig, 2005), para obten¸c˜ao da magnitude de Richter.

Uma vez que o máximo e o m´ınimo da onda de maior amplitude contida no sinal são determinados com apenas dois comandos no programa, a magnitude é mostrada junto com as curvas de corre¸cão distância - magnitude.

A magnitude de um evento é dada pela Equa¸cão 3.7, onde o primeiro termo dessa equa¸cão refere-se ao deslocamento máximo da Terra, A, no local da esta¸cão e o segundo termo é o fator de corre¸cão devido a atenua¸cão do sinal entre a distância da fonte ao receptor, R.

A corre¸cão da magnitude com a distância proposta por Joswig (2006), e utilizada no programa HypoLine, está mostrada na Figura 3.12.

(38)

Figura 3.11: Localiza¸cão relativa de um evento secundário. A cruz de cor verde representa a localiza¸cão do evento principal e a de cor vermelha a localiza¸cão do evento secundário. Modificado de Hage & Joswig (2009c).

M = log(A) + log(R) (3.7)

(39)

Aplica¸

c˜

oes com Dados de Campo

4.1 Introdu¸

c˜

ao

Nesse cap´ıtulo, inicialmente mostraremos o resultado de um teste no Campus Central da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, utilizando fogos de artif´ıcio para simular eventos s´ısmicos de baixa emiss˜ao de energia.

Logo após, mostraremos passo a passo como é obtida a localiza¸cão e a magnitude de um evento s´ısmico com o programa HypoLine, utilizando uma das explosões no teste.

Em seguida, voltaremos ao problema proposto por esse trabalho, que é a utiliza¸cão do método nanoss´ısmico para medir a eficiência do fraturamento hidráulico em reservatórios de hidrocarboneto. Primeiramente, faremos uma análise do decaimento do ru´ıdo proveniente das máquinas responsáveis pelo fraturamento hidráulico, presente em volta do po¸co durante o fraturamento, em fun¸cão da distância ao po¸co. Essa análise foi feita com base em re-gistros obtidos durante um fraturamento hidráulico em um po¸co produtor, pertencente à PETROBRAS.

Por fim, mostraremos e discutiremos os resultados obtidos em um monitoramento s´ısmico durante o processo de canhoneio em um segundo po¸co produtor, tamb´em pertencente `a PETROBRAS.

(40)

4.2 Teste I

No dia 18 de dezembro de 2008, no campus da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, realizamos um teste do m´etodo nanoss´ısmico, simulando eventos s´ısmicos com fogos de artif´ıcio (utilizados em festas juninas), cada um com aproximadamente 8 gramas cada (Figura 4.1).

Figura 4.1: Fogos de artif´ıcio.

Os sismômetros utilizados para o monitoramento foram os do fabricante Lennartz, trans-dutores de velocidade. O sismômetro vertical foi o LE −1D e o triaxial LE −3D. São sensores de per´ıodo curto com frequência natural de 1Hz e ganho (ou sensibilidade), para ambos, de 400V /ms−1

(Havskov & Alguacil, 2002).

O digitalizador foi o Summit II Monitoring que possui uma frequência de digitaliza¸cão máxima de 16 kHz. Além dos sismômetros e digitalizadores, um GPS portátil e baterias foram utilizados.

A taxa de amostragem utilizada foi de 2 kHz que permite registrar sem perda de in-forma¸cão um sinal com frequência de até 1 kHz, de acordo com o teorema de Nyquist.

(41)

Figura 4.2: Disposi¸c˜ao dos SNS e das explos˜oes. N,C,E eW siginificam, respectivamente, norte, central, leste e oeste. Z indica que o sensor de axial de componente vertical.

A fim de analisar a diferen¸ca de ru´ıdo com a profundidade na Terra, o S21 foi instalado a uma profundidade de aproximadamente 1,5 m. O S25 ficou sobre a superf´ıcie da Terra.

Como os sensores S25−N Z eS21−W Z eram os que estavam mais próximos, separados por uma distância de 11,5 metros, pressupõem-se que ambos estão expostos às mesmas condi¸cões de ru´ıdo.

No sismograma (Figura 4.3), podemos comparar o ru´ıdo nesses sensores. A diferen¸ca no n´ıvel de ru´ıdo é de fácil percep¸cão. Aproximadamente, o ru´ıdo no sensorS25−N Zé o dobro do valor no sensor S21−W Z.

A velocidade de propaga¸cão para a onda de compressão P que utilizamos foi de 0,6km/s, velocidade média para a areia (não consolidada) (Lay & Wallace, 1995).

Das seis explosões realizadas, quatro foram detectadas. As figuras 4.4, 4.5, 4.6 e 4.7 mostram os sismogramas de todas as explosões, na ordem cronológica, apenas no S21.

(42)

Figura 4.3: Janela do programa HypoLine. Amostra do ru´ıdo nos sensores S21−W Z e S25−N Z que est˜ao separados por uma distˆancia de aproximadamente 11,5 m.

(43)

Figura 4.5: Explos˜ao 2. Essa figura mostra o sismograma da segunda explos˜ao registrada nos quatros sensores do S21.

Figura 4.6: Explos˜ao 3. Essa figura mostra o sismograma da terceira explos˜ao registrada nos quatros sensores do S21.

Para a localiza¸cão utilizamos somente a informa¸cão da diferen¸ca de tempo de chegada da onda P entre os sensores, já que explosões são caracterizadas por apresentar somente onda de compressão (Bullen, 1976).

(44)

Figura 4.7: Explosão 4. Essa figura mostra o sismograma da última explosão registrada nos quatros sensores do S21.

mostra o instante em que ocorreu as explos˜oes, as coordenadas em graus e a magnitude dos eventos.

Evento Tempo de Origem Latitude Longitude ML

Explos˜ao 1 14:05:13.3755 -5.84249 -35.19750 -2.3

Explos˜ao 2 14:19:02.8575 -5.84244 -35.19750 -2.4

Explos˜ao 3 14:22:10.0505 -5.84243 -35.19749 -2.3

(45)

(46)

4.3 Procedimento para localiza¸

c˜

ao e determina¸

c˜

ao da

magnitude de um evento com o programa

Hypo-Line

Para todas as explosões detectadas o procedimento para localiza¸cão e determina¸cão de magnitude foram os mesmos. Escolhemos a Explosão 4 para mostrar passo a passo a obten¸cão do resultado.

4.3.1 Localiza¸

c˜

ao

Quanto a localiza¸cão, na Figura 4.9 temos o sismograma da explosão na parte superior da janela do HypoLine e na parte inferior o mesmo sismograma numa janela de tempo menor, definida pelo usuário.

Utilizou-se um filtro (pode ser visualizado na parte superior esquerda da Figura 4.9) na faixa de 0 a 3 Hz para eliminar o ru´ıdo nessa faixa de frequˆencia.

Em seguida, marcamos o instante que o sinal chegou no sensor S21−W Z (o Z apenas indica que o sensor é de componente vertical), como pode ser visto na Figura 4.10. Ao indicar o instante em que o sinal incidiu em um segundo sensor, S21−EZ, a diferen¸ca de tempo de chegada nos sensores define uma hipérbole que contém a solu¸cão, como mostrado no cap´ıtulo anterior, indicada na Figura 4.11.

Após marcar o tempo de chegada no sensor S21−CZ, o programa obtém a diferen¸ca de tempo de chegada do sinal entre dois sensores. Combinando os três sensores em pares, obtém-se três hipérboles (Figura 4.12).

Não utilizamos o sensor S21−N Z, devido não ser claro o instante de chegada do sinal em compara¸cão aos demais sensores, consequentemente, introduziria erros. Como os demais sensores apresentam uma fase clara, a interse¸cão entre as três hipérboles define o local da Explosão 4 (Figura 4.13).

Para determinar a dire¸c˜ao do evento usa-se a ferramenta feixe do programa, discutida no cap´ıtulo anterior. Inicialmente, escolhe-se uma fase do sinal em um sensor e encontra-se a fase correspondente nos demais sensor.

(47)

corres-pondentes nos sensores S21−EZ e S21−CZ e a dire¸cão da fonte estão na Figura 4.15. Essa dire¸cão não corresponde a dire¸cão correta da localiza¸cão da fonte.

A velocidade aparente também está muito maior que o previsto, que é de aproximada-mente 0,6 km/s, já que a onda que chega ao sensor apenas se propaga pela superf´ıcie da terra.

Esse erro é devido à localiza¸cão da fonte ser muito próxima dos sensores, praticamente entre eles. O instante que o sinal chega a cada sensor é praticamente o mesmo, resultando numa alta velocidade aparente e introduzindo erros.

Essa ferramenta do HypoLine só será eficiente quando a distância fonte - receptor for bem maior que distância entre os sensores.

Como consequência do solo ser sedimentar (areia não consolidada), podemos observar na Figura 4.15 que a forma de onda do sinal difere bastante de um sensor para outro, devido ao efeito de atenua¸cão, difra¸cão, etc, ser mais acentuado em compara¸cão com ambientes cristalinos. Consequentemente, dependendo da composi¸cão do solo no monitoramento, a distância de 24 metros deverá ser menor ou maior.

4.3.2 Magnitude

Para determinar a magnitude do evento, ao escolher a op¸c˜ao magnitude na barra de ferramenta, instantaneamente o programa simula o mesmo sinal sendo detectado pelo sensor de Wood-Anderson, para obten¸c˜ao da magnitude de Richter.

A determina¸cão da magnitude será obtida pela defini¸cão do pulso de maior amplitude (na componente horizontal), através da marca¸cão do minimo e do máximo do pulso. A Figura 4.16 mostra esse passo. O X em vermelho (lado esquerdo inferior da Figura 4.17) indica a magnitude.

(48)

Disserta¸

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

34

(49)

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

35

(50)

Disserta¸

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

36

(51)

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

37

(52)

Disserta¸

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

38

(53)

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

39

(54)

Disserta¸

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

40

(55)

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

41

(56)

Disserta¸

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

42

(57)

4.4 Teste II: Po¸

co I

Durante o processo de fraturamento hidráulico várias máquinas ficam presente em volta do po¸co, como mostra a Figura 4.18, gerando um alto ru´ıdo.

No dia 20 de junho de 2009, foi realizado um monitoramento, em um po¸co produtor pertencente à PETROBRAS (Figura 4.18). O fraturamento ocorreu, em média, à 470metros de profundidade, segundo o engenheiro responsável pela opera¸cão, José Altamiro Mota.

Figura 4.18: M´aquinas presente em volta do po¸co para o processo de fraturamento hidr´aulico a uma profundidade de aproximadamente 470 m.

A finalidade desse monitoramento foi tentar definir a que distância do po¸co de inje¸cão poderia-se instalar os sensores, sem que o ru´ıdo proveniente das máquinas no processo de fraturamento interferisse da deteçcão dos microssismos.

Os sensores, digitalizadores e taxa de amostragem foram os mesmos utilizados no teste no campus da UFRN, discutido na se¸c˜ao anterior.

Foram instalados dois SNS, denominados de S21 e S25, e um sensor vizinho ao po¸co de inje¸c˜ao (S29). Todos foram instalados a uma mesma profundidade de, aproximadamente,

50cm. A disposi¸c˜ao dos SNS encontra-se na Figura 4.19.

(58)

Figura 4.19: Disposi¸cão das esta¸cões com rela¸cão ao po¸co.

de prepara¸c˜ao. Na Figura 4.21 temos uma amostra do ru´ıdo durante o fraturamento. Ao comparar, verifica-se um aumento de aproximadamente 1000 %.

Somente foi verificado o ru´ıdo com a presen¸ca de máquinas para o fraturamento hidráulico. O ru´ıdo natural do ambiente não foi verificado.

A distância entre cada sensor de componente vertical ao sensor central, em ambos SNS, não foi mantida constante. Foi realizado dessa forma, a fim de variar o máximo poss´ıvel a distância entre o po¸co de inje¸cão e os sensores, para uma análise do decaimento do ru´ıdo com a distância ao po¸co.

A análise foi realizada manualmente, lendo-se a cada 1 minuto de dado a amplitude do sinal, pico a pico, em cada sensor, durante a dura¸cão do fraturamento, 25 minutos. Depois de feito isso, tomou-se a média do valores, para cada sensor. O resultado está no gráfico da Figura 4.22.

(59)

Figura 4.20: Janela do programa HypoLine. Amostra do ru´ıdo proveniente das m´aquinas em volta do po¸co de inje¸c˜ao antes do fraturamento.

Para fraturamento em zonas superior a 500 m de profundidade, o afastamento lateral dos sensores ao evento é pequeno com rela¸cão ao afastamento vertical. Consequentemente, o sinal chegará aos sensores praticamente no mesmo instante, gerando alto erro na localiza¸cão do evento (Hage & Joswig, 2009b). Também, se aumentarmos a distância dos sensores ao po¸co, aumentará mais ainda a distância do evento ao sensor, diminuindo a razão sinal-ru´ıdo e dificultando também a localiza¸cão.

(60)

(61)

(62)

4.5 Teste III: Po¸

co II

No dia 20 de outubro de 2009 foram monitorados doze canhoneios em um mesmo po¸co, também pertencente à PETROBRAS. Esse po¸co é localizado na parte terrestre de uma bacia sedimentar e tem profundidade de 794,8 m (valor fornecido pela empresa responsável pelo canhoneio).

O canhoneio consiste em utilizar explosivos em uma determinada zona do po¸co para romper seu revestimento a fim de preparar essa zona para coloc´a-la em produ¸c˜ao.

No total foram 12 conhoneios em zonas de profundidades diferentes. Todos ocorreram em uma camada de arenito sobreposta por uma de calcário que se entende até a superf´ıcie da Terra. A Figura 4.23 mostra a profundidade dos canhoneios e a profundidade média da interface arenito - calcário no campo de petróleo em trabalho.

Figura 4.23: Os X em vermelho representam o local dos tiros de canhoneios. A linha em verde a interface arenito-calc´ario. A linha de cor azul a zona do tiro de canhoneio detectado.

(63)

anteriores. Foram utilizados três SNS, denominados de S21, S28 e S29. Suas localiza¸cões, em rela¸cão ao po¸co, estão na Figura 4.24.

Figura 4.24: Disposi¸cão das esta¸cões com rela¸cão ao po¸co e o resultado obtido com o moni-toramento nanosss´ısmico.

Sinais de canhoneio não são de fácil deteçcão por que apesar de ser grande a quantidade de energia dispredidada pelos explosivos, parte é gasta para romper o revestimento do po¸co e parte retorna pela coluna do po¸co (Phillips,et al, 1998).

Entre os doze canhoneios, apenas um pode ser detectado (representado pela linha de cor azul na Figura 4.23, com profundidade de 707 m) pelo S28. Trˆes canhoneio foram a uma profundidade superior e oito a uma profundidade inferior, ao detectado.

Os canhoneios de maior profundidade possivelmente não foram detectados devido a pe-quena quantidade de energia incidente nos sensores, sendo sobrepostos pelo ru´ıdo. Já os demais, por serem mais rasos, os raios emitidos tem um menor alcance na superf´ıcie da terra, podendo não atingir os sensores, como mostra a Figura 4.25.

O S28, SNS que detectou o sinal, foi instalado `a aproximadamente 440 m do po¸co de

(64)

Figura 4.25: Raios emitidos por fontes em diferentes profundidades terão alcance diferente na superf´ıcie da terra. A camada de calcário possui maior velocidade que a de arenito, consequentemente, os raios ao imergirem nela na camda de calcário são desviados com um ângulo maior que o ângulo de incidência.

mais próximo do po¸co, o local era favorecido por apresentar menor ru´ıdo (oriundo de tráfego, animais, po¸cos em produ¸cão, etc) em compara¸cão aos demais.

Na Figura 4.26 temos os sismograma do evento. Entre os quatros sensores doS28, apenas um, o S28−W Z, n˜ao o registrou.

(65)

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

51

(66)

Figura 4.27: Sismogramas de canhoneios. Parte superior da figura temos a componente vertical do sismograma do sensorS28−C obtida no monitoramento nanoss´ısmico. Na parte inferior o sismograma obtido com o monitoramento micross´ısmico em Texa, no campo de Giddings (Phillips, et al, 1998). Os valores de tempo dos sinais apresentados na figura s˜ao aproximados.

Na Figura 4.28 temos a dire¸c˜ao do evento determinada pela coerˆencia do sinal utilizando os sensores S28−N Z,S28−EZ e S28−CZ.

A velocidade aparente de propaga¸c˜ao da onda obtida foi de 4,8 km/s, indicada pelo c´ırculo vermelho do lado esquerdo da Figura 4.28.

Para a localiza¸cão considerou-se um semi-espa¸co homogêneo com velocidade de propaga¸cão para onda de compressão de 2,6 km/s calculada a partir do valor da veloci-dade aparente, a profundiveloci-dade do tiro de canhoneio no instante de registro de sinal (707m) e a distância do S28 ao po¸co.

O instante de chegada do sinal só é claro nos sensores S28−EZ e S28−CZ. A Figura 4.29 mostra esses instantes e a hipérbole obtida. Fazendo variar a profundidade no programa, quando atinge 742m tem-se a interse¸cão entre a dire¸cão do evento e a hipérbole que contém as poss´ıveis solu¸cões. Essa interse¸cão é a localiza¸cão do evento (Figura 4.29).

O erro da localiza¸c˜ao na profundidade foi de 35 m e horizontal de 126 m, mostrado na Figura 4.30.

(67)

(Eisner, et al, 2009).

A magnitude obtida para esse evento foi de −2,4 ML, indicada na Figura 4.27. A

(68)

Disserta¸

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

54

Figura 4.28: Janela do programa HypoLine. Dire¸c˜ao do evento determinada pela coerˆencia entre os sinais nos sensores S28−N Z,

(69)

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

55

(70)

(71)

c˜ao

de

Mestrado

-PPGG

-UFRN

Silv

a,

A.G.

57

(72)

Cap´ıtulo 5

Conclus˜

oes e Recomenda¸

c˜

oes

A indústria do petróleo tem investido em novas tecnologias a fim de minimizar custos financeiros e trabalho, e maximizar a produ¸cão de hidrocarboneto.

O método nanoss´ısmico é uma nova tecnologia para detectar microssismos em ambientes com baixa razão sinal-ru´ıdo, funcionando bem com essa razão no valor de até 0 dB.

Após o estudo, realizado nesse trabalho, podemos concluir que esse método pode ter essa nova aplicabilidade, medir a eficiência de um fraturamento hidráulico em reservatórios, mas suas limita¸cões ainda são desconhecidas.

Confirmamos nossas expectativas, quanto a potencialidade do m´etodo nanoss´ısmico, ao detectar e localizar um canhoneio a 867 metros de distˆancia dos sensores. Disprendendo energia equivalente a um microssismo de ML−2,4.

A estimativa da localiza¸cão está na margem de erro dos demais métodos (s´ısmica passiva e monitoramento micross´ısmico tradicional, com sensores em po¸cos de observa¸cão) (Eisner,

et al, 2009).

As principais vantagens desse método, do ponto de vista financeiro, são o baixo número de sensores necessários e o acoplamento ser próximo à superf´ıcie da terra. Do ponto de vista de esfor¸co computacional, o programa de análise permite um rápido resultado, onde o usuário interfere no processo de constru¸cão desse resultado, minimizando os erros.

Para se ter um maior sucesso em testes futuros, recomenda-se que:

• A distância das esta¸cões ao po¸co não deve exceder 300 m, para um fraturamento em po¸cos rasos (por volta de 500m).

(73)

• A profundidade em que devem ser acoplados os sensores deve ser de 1,5m (ou mais), profundidade utilizada no Teste I. Como verificado no teste no Campus Central da UFRN, o ru´ıdo cai, aproximadamente, de 50 %.

• A escolha do local para colocar os sensores é extremamente importante. Embora seja de dif´ıcil acesso, é fundamental que seja no local de menor ru´ıdo poss´ıvel (seja natural ou não) já que o sinal que se quer detectar é de baix´ıssima energia.

• A distˆancia entre cada sensor vertical ao sensor triaxial n˜ao deve ser superior a 40 m, principalmente em ambientes sedimentar. Isso, por que a forma de onda alterasse

rapidamente com a distˆancia, dificultando encontrar fases correspondentes em cada sensor do SNS, e consequentemente a dire¸c˜ao do evento.

(74)

Referˆ

encias Bibliogr´

aficas

[1] ALBERTO, A., ALBERTO, C., VEROTTI, C., AUGUSTO, J., CARLOS, J., ED-UARDO, J., ERASMO, J., LUIZ, J., CARLOS, N., EMANUEL, N., CEZAR, P., SOUZA, R. & VINICIUS, R. - 2001 - Fundamentos de Engenharia do Petr´oleo. Rio de Janeiro.

[2] BAKUN, W. H. & JOYNER W. B. - 1984 - The ML scale in Central California, Bull. Seism. Soc.nAm. 74, 1827-1843.

[3] BRAUN, R. - 2007 - A commonly neglected factor on rock mass and borehole stability, OIL GAS European Magazine, 2, 79 - 82.

[4] BRUNO, M. S. & NAKAGAWA, F. M. - 1991 - Pore pressure influence on tensile fracture propagation in sedimentary rock, Int. J. Rock Mech. Min Sci. & Geomech, 28, 161 - 273.

[5] BULLEN, K.E. - 1976 - An introduction to the theory of seismology, Cambridge Univ. Press, Cambridge, UK.

[6] BUTLER, R. - 2003 - The Hawaii-2 observatory: observation of nanoerthquakes, Seism. Res. Let., 74 (3), 290-297.

[7] CALVEZ,J., BENNETT,L., TANNER, K., GRANT, W., NUTT, L., JOCHEM, V., UNDERHILL, W. & DREW, J. - 2005 - Monitoring microseismic fracture development to optimize stimulation and production in aging fields, The Leading Edge, janeiro, 72-75.

(75)

[8] CHAMBERS, K., BRANDSBERG-DAHL, S., KENDALL, J., M. & RUEDA, J. - 2008 - Testing the ability of suface arrays to locate microseismicity. Anais de congresso. Soc. Expl. Geophys.

[9] DI GRAZIA, G., LANGER H., URSINO A. , SCARFI L. & GRESTA S. - 2001 - On the estimate of earthquake magnitude at a local seismic network, An. Geophys. 44, 579-591.

[10] EISNER, L., HEIGL, W., DUNCAN, P. & KELLER, W. - 2008 - Uncertainties in passive seismic monitoring, BSW, 8, 648-655.

[11] FERNANDES, P. D. - 1991 - Análises das Opera¸cões de Fraturamento Hidráulico Através do Comportamento da Pressão Durante o Bombeio. Disserta¸cão de Mestrado. Mestrado em Engenharia do Petróleo. Faculdade de Engenharia Mecânica, Universi-dade Estadual de Campinas, São Paulo, Brasil.

[12] HAGE, M. & JOSWIG, M. - 2009a - Microseismic feasibility study: detection of small magnitude events (ML <0.0) for mapping active faults in the Betic Cordillera (Spain).

ANNALS OF GEOPHYSICS, 52(2), 117-126.

[13] HAGE, M. & JOSWIG, M. - 2009b - Spatiotemporal distribution of aftershocks of the 2004 December 5 ML = 5.4 Waldkirch (Germany) earthquake, GJI Seismology, 178,

1523-1532.

[14] HAGE, M. & JOSWIG, M. - 2009c - Spatiotemporal characterization of interswarm period seismicity in the focal area Novy Kostel (West Bohemia/Vogtland) by a short-term microseismic study, GJI Seismology, 179, 1071-1079.

[15] HAGE, M. & JOSWIG, M. - 2009d - Mapping local microseismicity using short-term tripartite small array installations - Case study: Coy region (SE Spain), Tectono-physics, 471, 225 - 231.

[16] HAVSKOV, J. & ALGUACIL, G. - 2002 - Instrumentation in Earthquake Seismology, Preliminary version.